大口径光学元件热稳定性初步分析

　　大口径光学元件的稳定性,对高功率固体激光装置中激光光束的传输质量和打靶精度起着至关重要的作用.环境热激励是影响大口径光学元件工作稳定性的诸多因素之一.大量事实表明,即使产生零点几度的温度变化也可能使光学元件的热变形达到微米级,而这将足以对大型光学系统的成像质量产生致命的影响[1].因此,分析和确定影响光学元件的热激励源及其由于环境热激励产生的变形,为环境温度分布设计提供精度指标要求,是大口径光学元件的稳定性研究中需要重点解决的问题.笔者就高功率固体激光装置系统中,大口径光学元件的环境热载荷激励源及其光学元件热变形的理论模型进行了分析,并用有限元方法进行了初步计算,提出了控制热变形的措施.

　　1　大口径光学元件环境热载荷分析

　　1. 1　影响光学元件稳定性的热激励源

　　在高功率固体激光装置打靶过程中,凡是使光束偏离已准直位置的因素,都可归结为影响光学元件稳定性的激励因素,或者称为激励源.而影响光学元件稳定性的热激励源主要来源于大厅和靶场的温度梯度.温度梯度对光束漂移的影响主要表现在: (1)使光学元件支撑结构系统发生变化而影响光束的指向性; (2)影响光束传媒介质的折射率,从而影响光束指向性[2].

　　考虑到实际情况,引起大厅和靶场温度变化的热激励源主要有:外部环境热源、室内HAVC(AirCondi2tioning)系统以及局域瞬态热源.

　　(1)外部环境热源:外部环境热源主要是昼夜温度变化,它是通过建筑物墙体传导,进而影响光学元件支撑结构系统的.外部环境热源引起的外部环境气温变化是年气温变化和日气温变化两种周期函数的叠加.年气温变化幅度大且周期长,长时间的影响可使室内设备构件的几何尺寸发生变化.短期的影响主要是指日气温变化,它是以24 h为周期的时间函数,随季节和气候条件而有不同,可表示为[1]:

式中,T为温度; t为时间;T0为平均温度,ω=π/12,A0为日气温最大温差.

　　由于高功率固体激光装置建筑采用的是桁架式结构,靶场建筑与桁架相互独立,实际上外部环境气温变化对其影响是非常小的,因此可以只考虑日气温变化的影响.

　　(2)HVAC系统:HVAC系统是维持靶场、编组站和激光器大厅温度恒定的主要控制系统,由它所引起的温度起伏将会引起光学元件支撑结构的漂移,以及传媒介质折射率的变化.因此对系统空间内的光学系统而言,这是主要的变化热源.

　　(3)另外,光学支撑结构还可能受到来自于与支撑结构相接触的局部瞬态热源(如放大器散热过程、诊断设备和电动基架的冷却系统)的影响,而室内局部瞬态温度变化主要来源于真空机组的散热过程.这些热源将会产生热点,引起准直敏感元件的结构发生变化.